JP2006233823A - ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】 オイル消費量を増大させることなくブローバイガスを低減することが可能なピストンを提供する。
【解決手段】 ピストン１の外周面には、合い口隙間１１を有する第１コンプレッションリング１０、合い口隙間２１を有する第２コンプレッションリング２０、オイルリング３０、および合い口隙間４１を有する可変張力ピストンリング４０が、ピストンクラウン側から順次所定の間隔で装着されている。オイルリング３０が装着されるオイルリング溝６の底部には、該底部とピストン１内面とを連通するオイル戻し孔８が形成されている。可変張力ピストンリング４０は、樹脂で形成された断面矩形の板状リングであり、所定温度以上の温度領域で合い口隙間４１を閉じるとともに、温度上昇に応じて張力を増大する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関のピストンに関する。

ピストンリングの間隙よりクランクケースへ漏れ出るブローバイガスを低減するために、合い口を有しないピストンリングを周面に装着したピストンが知られている。下記特許文献１には、合い口を設けずエンドレスに形成された樹脂製のリングをセカンドリングに装着したピストンが記載されている。
特開平１１−２３６８５３号公報

ところで、オイルリングが掻き残したオイルがトップランドやセカンドランドに溜まることがあるが、トップリングおよびセカンドリングに合い口がある場合には、溜まったオイルは、合い口を通してブローバイガスによりピストン下方（オイルリング側）へ吹き下げられ、オイルパンへ戻される。しかし、セカンドリングに合い口が無いピストンリングを使用した場合、ブローバイガスによるオイルの吹き下げ効果が無くなるため、掻き残されたオイルをオイルパンに戻すことができない。その結果、掻き残されたオイルが燃焼室内で燃焼し、オイル消費量が増大するおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、オイル消費量を増大させることなくブローバイガスを低減することが可能なピストンを提供することを目的とする。

本発明に係るピストンは、ピストンの周面に装着された合い口隙間を有する少なくとも１つのコンプレッションリングと、コンプレッションリングよりもピストンスカート側に装着されたオイルリングと、オイルリングが装着されるオイルリング溝の底部とピストン内面とを連通するオイル戻し孔と、オイルリングよりもピストンスカート側に装着され、所定温度以上で合い口隙間を閉じる可変張力ピストンリングとを備えることを特徴とする。

本発明に係るピストンによれば、オイルリングおよび可変張力ピストンリングが掻き残しトップランドなどに溜まったオイルは、ブローバイガスによりコンプレッションリングの合い口隙間を通して吹き下げられ、オイルリング溝の底部に形成されたオイル戻し孔を通してピストン内面へ送られる。一方、可変張力ピストンリングの合い口隙間は所定温度以上で閉じられ、オイルを吹き下げたブローバイガスのクランクケース内への漏出が抑制される。その結果、オイル消費量を増大させることなくブローバイガスを低減することが可能となる。

また、上記可変張力ピストンリングは、樹脂または形状記憶合金により形成されており、上記所定温度以上の領域において温度上昇に応じて張力を増大することが好ましい。

この場合、可変張力ピストンリングが樹脂または形状記憶合金で形成され、所定温度以上の高温領域において熱膨張または変態により変形して張力が増大する。そのため、高温（高負荷、高回転）時の気密性能やオイル掻き取り性能を向上することが可能となる。

また、上記可変張力ピストンリングは、オイルリングが装着されるオイルリング溝の下面側に形成された可変張力ピストンリング溝にオイルリングと接触するように装着されていることが好ましい。

この場合、可変張力ピストンリングの上面側がオイルリングの下面側と接触するように装着されることにより、摺動時のオイルリングの倒れが抑制されるので、オイルリングのオイル掻き取り性能をさらに向上することが可能となる。なお、本明細書では、ピストンのピストンクラウン側を上側、ピストンスカート側を下側と定める。

本発明によれば、所定温度以上で合い口隙間を閉じる可変張力ピストンリングをオイルリングよりもピストンスカート側に装着する構成としたので、オイル消費量を増大させることなくブローバイガスを低減することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。

まず、図１および図２を併せて用いて、第１実施形態に係るピストン１の構成を説明する。図１は、ピストン１の正面図である。図２は、ピストン１の要部断面図である。

ピストン１の外周面には、第１コンプレッションリング溝４、第２コンプレッションリング溝５、オイルリング溝６および可変張力ピストンリング溝７が、ピストンクラウンから順次所定の間隔で形成されている。また、ピストン１は、オイルリング溝６の溝底に、該溝底とピストン１内面とを半径方向に連通するオイル戻し孔８を円周方向に複数個有している。

第１コンプレッションリング溝４には、主として気密性を確保する第１コンプレッションリング１０（トップリング）が装着されている。第１コンプレッションリング１０は、金属、例えばステンレス鋼で形成された断面矩形の板状リングである。第１コンプレッションリングは、リングの両端部によって形成される隙間、所謂合い口隙間１１を有している。この合い口隙間は、一般にシリンダ直径の２００分の１程度に設定される。

第２コンプレッションリング溝５には、第１コンプレッションリング１０（セカンドリング）と同様な第２コンプレッションリング２０が装着されている。第２コンプレッションリングも、例えばステンレス鋼で形成された板状リングであり、合い口隙間２１を有している。

オイルリング溝６には、余分なオイルを掻き落としシリンダ内面のオイル量をコントロールするオイルリング３０が装着されている。オイルリング３０は、３ピースタイプのオイルリングであり、一対の上レール３１、下レール３２、およびスペーサエキスパンダ３３を有して構成されている。上レール３１および下レール３２は（図示しない）合い口を有し円周方向に延びる断面矩形の板状リングである。スペーサエキスパンダ３３は上レール３１、下レール３２を軸方向に離間保持するとともに、上レール３１および下レール３２を半径方向外方に押圧して上下レール３１，３２の外周をシリンダ内面に押接させるようにしている。

可変張力ピストンリング溝７には、可変張力ピストンリング４０が装着されている。可変張力ピストンリング４０は、合い口隙間４１を有し円周方向に延びる断面矩形の板状リングである。可変張力ピストンリング４０は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＡ６６（ポリヘキサメチレンアジポアミド）などの樹脂で形成されている。

ここで、図３に可変張力ピストンリング４０の温度と張力およびブローバイガス量／オイル消費量との関係を示す。図３に示されるように、ピストン１が組み込まれたエンジンが稼動され、可変張力ピストンリング４０の温度が上昇すると、可変張力ピストンリング４０が熱膨張してリングの両端部が突き当たり、合い口隙間４１が閉じられる。この合い口隙間が閉じられる所定の温度は、例えば１５０〜２００℃の間に設定される。

可変張力ピストンリング４０の温度がさらに上昇した場合には、可変張力ピストンリング４０がさらに変形し、周長が長くなろうとする張力によってシリンダ内面に押接される。図３に示されるように、可変張力ピストンリング４０の張力は、温度の上昇に伴って増大する。

可変張力ピストンリング４０の温度が上昇し、合い口隙間４１が閉じられるとともに、張力が増大され可変張力ピストンリング４０がシリンダ内面に押接されることにより、可変張力ピストンリング４０の気密性能やオイル掻き取り性能が向上する。その結果、ブローバイガス量およびオイル消費量が低減する。

可変張力ピストンリング４０は、樹脂に代えて形状記憶合金で形成してもよい。可変張力ピストンリング４０を形成する形状記憶合金としては、２元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ系）や３元系の形状記憶合金（Ｎｉ−Ｔｉ−Ｃｕ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ａｌ系，Ｎｉ−Ｔｉ−Ｆｅ系）などが好適に用いられる。

ここで、図４に形状記憶合金製の可変張力ピストンリング４０の温度と張力およびブローバイガス量／オイル消費量との関係を示す。図４に示されるように、ピストン１が組み込まれたエンジンが稼動され、可変張力ピストンリング４０の温度が上昇すると、可変張力ピストンリング４０が変態してリングの両端部が突き当たり、合い口隙間４１が閉じられる。この合い口隙間が閉じられる所定の温度（変態温度）は、例えば１５０〜２００℃に設定される。

可変張力ピストンリング４０の温度がさらに上昇した場合には、可変張力ピストンリング４０がさらに変形し、周長が長くなろうとする張力によってシリンダ内面に押接される。可変張力ピストンリング４０の張力は、温度の上昇に伴って増大する。なお、素材に形状記憶合金を用いた場合には、樹脂を用いた場合と比較して張力の立ち上がり角度が急峻になる。そのため、要求される特性／性能に応じて素材が選択される。

可変張力ピストンリング４０の温度が上昇し、合い口隙間４１が閉じられるとともに、張力が増大され可変張力ピストンリング４０がシリンダ内面に押接されることにより、可変張力ピストンリング４０の気密性能やオイル掻き取り性能が向上する。その結果、ブローバイガス量およびオイル消費量が低減する。

本実施形態によれば、オイルリング３０および可変張力ピストンリング４０が掻き残しトップランドやセカンドランドなどに溜まったオイルは、ブローバイガスにより第１コンプレッションリング１０の合い口隙間１１、第２コンプレッションリング２０の合い口隙間２１を通して吹き下げられ、オイルリング溝６の底部に形成されたオイル戻し孔８を通してピストン内面へ送られ、そこからオイルパンに戻される。一方、樹脂または形状記憶合金で形成された可変張力ピストンリング４０は、所定温度以上の高温領域において熱膨張または変態により合い口隙間４１が閉じられるとともに張力が増大する。そのため、オイルを吹き下げたブローバイガスのクランクケース内への漏出が抑制されるとともにオイル掻き取り性能が向上する。その結果、オイル消費量を増大させることなくブローバイガスを低減することが可能となる。

また、本実施形態によれば、上記所定温度未満の低温領域では、可変張力ピストンリング４０の張力が小さく、シリンダ−ピストン１間のフリクションを低減することが可能となる。

次に、図５を用いて、第２実施形態に係るピストン２の構成について説明する。なお、図５において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

本実施形態が第１実施形態と異なるのは、可変張力ピストンリング溝７がオイルリング溝６の下面側に形成され、可変張力ピストンリング４０の上面がオイルリング３０を構成する下レール３２の下面と接触するように、可変張力ピストンリング４０が可変張力ピストンリング溝７に装着されている点である。その他の構成は、第１実施形態と同一または同様であるので、ここでは説明を省略する。

本実施形態によっても、上述した第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

ところで、一般に、オイルリング３０が装着されるピストンスカート肩部には大きいテーパが施されているため、オイルリング溝６と下レール３２との接触面積が小さくなる。そのため、オイルリング３０が摺動してオイルを掻き取る際に、下レール３２が倒れることにより、シリンダ内面との接触面圧が低下してオイルの掻き取り性能が低下しやすい。

本実施形態によれば、可変張力ピストンリング４０の上面が下レール３２の下面と接触して下レール３２を支持するように可変張力ピストン４０が装着されることにより、摺動時の下レール３２の倒れが抑制される。その結果、下レール３２（オイルリング３０）のオイル掻き取り性能をさらに向上することが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、２本のコンプレッションリング１０，２０を用いたが、コンプレッションリングを１本としてもよい。

また、上記実施形態では、３ピースタイプのオイルリングを使用したが、オイルリングが３ピースタイプのものに限られないことは言うまでもない。

第１実施形態に係るピストンの正面図である。 第１実施形態に係るピストンの要部断面図である。 樹脂を用いた場合の可変張力ピストンリングの温度と張力およびブローバイガス量／オイル消費量との関係を示すグラフである。 形状記憶合金を用いた場合の可変張力ピストンリングの温度と張力およびブローバイガス量／オイル消費量との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係るピストンの要部断面図である。

符号の説明

１，２…オイルリング、４…第１コンプレッションリング溝、５…第２コンプレッションリング溝、６…オイルリング溝、７…可変張力ピストンリング溝、８…オイル戻し孔、１０…第１コンプレッションリング、２０…第２コンプレッションリング、３０…オイルリング、３１…上レール、３２…下レール、３３…スペーサエキスパンダ、４０…可変張力ピストンリング。

Claims (3)

1. ピストンの周面に装着された合い口隙間を有する少なくとも１つのコンプレッションリングと、
   前記コンプレッションリングよりもピストンスカート側に装着されたオイルリングと、
   前記オイルリングが装着されるオイルリング溝の底部と前記ピストン内面とを連通するオイル戻し孔と、
   前記オイルリングよりもピストンスカート側に装着され、所定温度以上で合い口隙間を閉じる可変張力ピストンリングと、を備えることを特徴とするピストン。
2. 前記可変張力ピストンリングは、樹脂または形状記憶合金により形成されており、前記所定温度以上の領域において温度上昇に応じて張力を増大することを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記可変張力ピストンリングは、前記オイルリング溝の下面側に形成された可変張力ピストンリング溝に前記オイルリングと接触するように装着されていることを特徴とする請求項１または２に記載のピストン。
   
   

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